专利名称：电容充放电脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及电火花沉积堆焊技术，属于再生制造领域中的精密修复和表面强化技术，特别是一种电容充放电脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源。
背景技术：
电火花沉积堆焊技术的工作原理是当电极与工件接触时，电路处于短路状态下， 电源输出放电脉冲，在电极和工件接触点的小区域范围内产生极大的电流密度而使接触点处的电极和工件材料瞬间熔化及气化，引发火花放电，电极熔化的材料部分过渡到工件表面，若电极继续接近工件，伴随机械力挤压工件，使电极熔融材料牢固的粘结在工件材料表面，使合金层致密性得到提高。由于电火花沉积堆焊的放电过程在瞬间完成，工件不会产生热扩散和热变形，具有热输入量小、工件基体不发热等优点，所以广泛应用在模具、电机主轴等设备的缺陷和小面积破损的精密修复中，还可应用到零件的表面强化和改性处理中。 对于磨损零件等修复后再利用属于再生制造，节约了大量设备维护成本。电火花沉积堆焊的缺点是工作效率低，加工一个零件往往需要很长时间，影响其加工效率的主要因素是电源输出的脉冲电压、频率等参数和其它工艺参数等。传统的电火花沉积堆焊电源只对电容的放电进行控制，没有对其充电过程进行控制，使充电电路与放电电路没有完全隔离，在使用过程中当电极与工件短路时，充电电路直接通过电极与工件的接触点放电，可控硅无法关断，电容就无法再次充电进行火花放电，从而使放电频率降低，直接影响了电火花沉积堆焊的工作效率；而且只能通过改变变压器次级输出端子的连接来对电容的充电电压进行有级调整，无法对放电能量进行精确的控制，无法满足各类工艺条件的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种对电容的充电过程和放电过程都能进行数字控制的电火花沉积堆焊电源，用以解决现有电源调整充电电压较困难，无法对放电能量进行精确控制的问题。为实现上述目的，本发明的技术方案是电容充放电脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，包括微处理器和用于调节输入交流电压的交流调压电路，交流调压电路的输出端连接整流滤波电路的输入端，整流滤波电路的输出端连接固定放电电容组，固定放电电容组的正电源端连接有一个用于放电控制的可控硅的阳极，所述可控硅还设有用于连接运动电极的阴极和用于连接所述微处理器对应输出端口的门极，门极与器的对应输出端口之间设有放电脉冲驱动电路，其特征在于，在所述整流滤波电路的输出端上还设有用于充电控制的M0SFET，该MOSFET与所述固定放电电容组串联后并联在所述整流滤波电路的输出端上，该MOSFET的栅极通过充电电压控制驱动电路连接所述微处理器的对应输出端口 ； 所述固定放电电容组两端还并联有电阻串联型电压检测电路，电压检测电路的采样端通过隔离调理电路连接所述微控制器的模拟量输入端。
外部输入交流电源经过调压电路、整流滤波电路转换为直流电，经过MOSFET管控制对放电电容进行充电，充电电压值可通过电压检测电路传送到微处理器，再由其输出控制脉冲来驱动MOSFET管的通断，从而控制充电电压的大小；放电电容通过可控硅的控制， 经过运动电极与工件的接触进行放电，从而产生电火花，将电极上的材料熔焊到工件上，实现电火花的沉积堆焊功能。由微控制器输出的MOSFET管和可控硅的驱动脉冲信号分别控制MOSFET管和可控硅交替导通和关断，使电容的充电过程和放电过程完全独立，且不会同时导通，确保了即使电极与工件短路的情况下仍能可靠进行电容的充放电和产生火花放电，从而保证了电火花放电的频率和效率；而且电容的电压也可无级调节，确保了放电的能量也可无级调节，从而能适应各种工艺条件的要求。电容充电过程和放电过程交替进行，即使电极和工件短路时， 仍能保证电容进行充放电和产生电火花，从而提高了电源的沉积堆焊效率。进一步的，所述固定放电电容组两端还并联有至少一组可调放电电容组支路，该可调放电组支路由控制开关和可调放电电容组串联构成。所述充电电压控制驱动电路包括MOSFET驱动电路与高速光耦隔离电路。所述放电脉冲驱动电路包括可控硅驱动电路与高速光耦隔离电路。所述固定放电电容组、可调放电电容组均由至少三个放电电容并联而成。所述控制开关为固态继电器触头。所述微控制器还输入连接开关量输入电路、输出连接液晶显示电路、输出连接开关量输出电路、通讯连接RS232接口电路、电源电路和复位电路。
图1是本发明实施例的系统示意图； 图2是本发明实施例的主电路图3是本发明实施例的工作波形图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的堆焊电源进行进一步的说明。该电源的系统示意图如图1、图2所示。该电源包括微处理器和用于调节输入交流电压的交流调压电路；交流调压电路的输出端连接整流滤波电路的输入端，整流滤波电路的输出端之间串设有MOSFET管与固定放电电容组，所述固定放电电容组两端并联两组可调放电电容组支路，该可调放电电容支路由控制开关和可调放电电容组串联构成，所述固定放电电容组的一端还连接有可控硅；所述MOSFET管、控制开关与可控硅的控制端均通过对应的驱动电路连接到所述微控制器的相应端口。交流调压电路采用变压器Tl，输入的220V的交流电压经过变压器Tl后调整为 IlOV的交流电，经过整流滤波电路中的整理桥Dl对电解电容CEl进行充电，CEl的参数是 10000uF/450V，主要作用是储能和滤波。其中电阻Rl是在电源刚上电时防止充电电流过大而加入的，当CEl充满电后，由控制电路控制继电器KAl工作，其触点使Rl短路，即正常工作时Rl是被短路的。R3是一个阻值较大电阻，当电源断电后，电容CEl上的电荷可通过R3 释放掉。
CEl上的直流电可经过充电电路中的MOSFET管、电阻R2、电感Ll对放电电容Cl、 C2、C3等进行充电。MOSFET管采用IXFK73N30，由微控制器给出指令，经过高速光耦(采用 HCNW4502)的隔离和驱动电路(采用芯片MIC4422)的驱动来控制MOSFET的导通和关断。放电电容由三组电容并联组成，第一组是Cl C3并联(即所述固定放电电容组)，第二组是 C4 C7并联(可调放电电容组)，第三组是C8 C14并联(可调放电电容组)，每个电容的参数是20uF/630V。第二组和第三组分别由固态继电器KSl和KS2控制是否接入到放电电路中，从而可以对放电电容的容量进行有级的调整，即可分为60 uF、140 uF、200 uF,280 uF 四档。电容在充放电时产生的反向电动势可通过快速二极管D2、D3进行消除。当MOSFET 管导通时，放电电容开始充电，当MOSFET管关断时或放电电容电压达到最大充电电压时充电过程结束。电阻R4和电位器R5串联后并联在放电电容的两端，由电位器的中间输出端可检测放电电容的电压值，经隔离调理电路后将电压信号传送到微控制器的模拟量输入端。微控制器可将检测到的实际的充电电压与设定的充电电压进行比较，当两者相等时就控制驱动脉冲关断MOSFET管，从而实现充电电压IOV 155V的无级调整。放电电容上的电能经过可控硅(采用KK100型快速可控硅)的控制，通过运动电极与工件接触时进行电火花放电。微控制器输出的脉冲经高速光耦(采用HCNW4502)的隔离和SCR驱动电路(采用三极管2N3906)的驱动来控制可控硅导通，当放电电容上的电能放完后电压为零，可控硅自动关断。 运动电极可用电动工具带动电极进行旋转运动，也可采用电磁摆动机构进行横向摆动运动，还可手工操作电极进行运动。微控制器采用芯片是ADUC812，它还包括输入连接8路开关量输入电路、输出连接液晶显示电路、通讯连接RS232接口电路、电源电路和复位电路等。启动、停止、参数选择、 增加、减小、确定等按键可通过阻容滤波后经光耦隔离后输入到CPU，电源的工作参数和状态等可通过U8X64点阵的图形液晶进行显示。CPU输出的8个开关量输出经光耦隔离后通过三极管进行驱动，可控制继电器KA1、固态继电器KSl和KS2、运动电极的工作。RS232 接口电路主要用于ADUC812芯片的编程和与上位机的数据通信。电容电压输入的0 5V的电压信号经过隔离模块输入到ADUC812的模拟量输入端。ADUC812的AD转换器具有12位转换精度，转换速度可达到200kSPS，保证了电压控制的精度和速度。由CPU输出的MOSFET 管的驱动脉冲经过高速光耦驱动控制MOSFET的导通和关断。由微控制器输出的可控硅的驱动脉冲经高速光耦和三极管来驱动来控制可控硅导通。工作原理
以电源的MOSFET管的控制脉冲波形(图3. a)、可控硅的控制脉冲波形(图3. b)、电容的充放电电压波形(图3. C)、电火花放电脉冲波形(图3. d)为例来详细说明本发明电火花沉积堆焊电源的工作原理。MOSFET管的控制脉冲波形和可控硅的控制脉冲波形的频率相同(此频率可由用户进行设定)，其周期T=tl+t2+t3+t4，其中tl是控制MOSFET管的正脉冲时间，也就是其导通对电容进行充电的时间；t2是控制可控硅的正脉冲时间，也就是其导通进行火花放电的时间；t3是MOSFET管的控制脉冲的下降沿到可控硅的控制脉冲的上升沿的时间，也就是 MOSFET管关断到可控硅导通的间隔时间，它可保证MOSFET管和可控硅不会同时导通；t4是可控硅的控制脉冲的下降沿到MOSFET管的控制脉冲的上升沿的时间，也就是可控硅关断到MOSFET管导通的间隔时间，它可保证MOSFET管和可控硅不会同时导通；由于电火花放电时间为3 5us，所以t2为固定的5us。t4也固定为5us。tl和t3是随设定的频率和充电电压而变化的，在某一频率下，当设定充电电压最大时，tl达到最大值，t3达到最小值5us， 当设定充电电压最小时，tl达到最小值，t3达到最大值。电源产生电火花的频率的调节范围是10 1000Hz，电容充电电压的调节范围是IOV 155V。在微处理器的控制下，在tl时间范围内，MOSFET管导通，开始对电容进行充电，充电电压检测电路将电压值传输到微处理器，当其电压达到设定电压时，MOSFET管的控制脉冲变为低电平，从而关断MOSFET管，停止对电容进行充电。经过t3时间间隔后，可控硅在 t2时间内导通，当电极与工件接触时，电容上的电能迅速通过接触点释放，产生电火花，当电容电能释放完后，可控硅自动关断，其波形如图3. d。经过t4时间间隔后，MOSFET管重新导通，开始进行下一个充放电过程，如此周而复始的循环就会不断产生电火花，实现沉积堆焊功能。在此控制方式下，MOSFET管和可控硅交替导通，且不会同时导通，保证了电容的充电过程和放电过程完全独立，确保了即使电极与工件短路的情况下可控硅仍能可靠关断， 从而保证电火花放电的频率和效率；而且电容的电压也可无级调节，确保了放电的能量也可无级调节，从而能适应各种工艺条件的要求。
权利要求
1.电容充放电脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，包括微处理器和用于调节输入交流电压的交流调压电路，交流调压电路的输出端连接整流滤波电路的输入端，整流滤波电路的输出端连接固定放电电容组，固定放电电容组的正电源端连接有一个用于放电控制的可控硅的阳极，所述可控硅还设有用于连接运动电极的阴极和用于连接所述微处理器对应输出端口的门极，门极与微处理器的对应输出端口之间设有放电脉冲驱动电路，其特征在于，在所述整流滤波电路的输出端上还设有用于充电控制的MOSFET，该MOSFET与所述固定放电电容组串联后并联在所述整流滤波电路的输出端上，该MOSFET的栅极通过充电电压控制驱动电路连接所述微处理器的对应输出端口 ；所述固定放电电容组两端还并联有电阻串联型电压检测电路，电压检测电路的采样端通过隔离调理电路连接所述微控制器的模拟量输入端。
2.根据权利要求1所述的电容充放电脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，其特征在于，所述固定放电电容组两端还并联有至少一组可调放电电容组支路，该可调放电电容组支路由控制开关和可调放电电容组串联构成。
3.根据权利要求1所述的电容充放电脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，其特征在于，所述充电电压控制驱动电路包括MOSFET驱动电路与高速光耦隔离电路。
4.根据权利要求1所述的电容充放电脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，其特征在于，所述放电脉冲驱动电路包括可控硅驱动电路与高速光耦隔离电路。
5.根据权利要求2所述的电容充放电脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，其特征在于，所述固定放电电容组、可调放电电容组均由至少三个放电电容并联而成。
6.根据权利要求1所述的电容充放电脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，其特征在于，所述控制开关为固态继电器触头。
7.根据权利要求1所述的电容充放电脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，其特征在于，所述微控制器还输入连接开关量输入电路、输出连接液晶显示电路、输出连接开关量输出电路、通讯连接RS232接口电路、电源电路和复位电路。
全文摘要
本发明涉及一种电容充放电脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，属于再生制造领域中的精密修复和表面强化技术；该电源包括微处理器、交流调压电路、整流滤波电路、充电及其驱动电路、充电电压检测电路、放电及其驱动电路等。本装置可对放电电容的电压进行无级调整，可实现放电能量的无级调整，放电频率也可进行无级调整，可满足不同工艺条件的需要；电容充电脉冲和放电脉冲在微处理器的控制下，充电过程和放电过程交替进行，即使电极和工件短路时，仍能保证电容进行充放电和产生电火花，从而提高了电源的沉积堆焊效率。
文档编号B23K13/08GK102189325SQ20111009811
公开日2011年9月21日 申请日期2011年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者李向阳, 李济顺, 薛玉君, 贾现召, 郭豫鹏, 韩红彪 申请人:河南科技大学